±660KV直流输电带电作业安全防护的试验研究

杨新法，刘洪正，孟海磊，刘凯，肖宾，马玮杰

(1.中国电力科学研究院，北京市，100192;2.山东电力超高压公司，济南市，250021;3.国网电力科学研究院，武汉市，430074)

0 引言

宁东—山东±660kV直流输电工程自双极投运以来，一直满负荷运行，极大地缓解了山东用电紧张局面。但是，作为远距离、大容量跨区电网输电线路，线路运行后的停电检修机会极少，带电作业是线路消缺、测试、检修的重要手段。安全防护是带电作业研究领域中十分重要的一环，目前，国内外对交流110～1000kV线路、直流±500kV线路带电作业人员安全防护技术已具有丰富的经验，但尚未开展±660kV直流输电线路的安全防护研究［1-24］。

1 主要研究内容

对±660kV直流输电线路而言，导线表面或其附件的电荷在导线周围产生静电场，同时空间带电粒子形成了空间电荷电场，直流输电线路附近的“电场”为静电场与空间电荷电场综合作用的合成场。鉴于±660kV直流输电线路工作时导线表面梯度大于临界水平，导线附近存在着大量的空间离子，带电作业过程中作业人员处于合成场中，因此合成场对作业人员的影响是带电作业安全防护应考虑的重点问题之一。

由于直流输电的特点，在直流输电线下几乎不存在电容耦合作用，这时在直流输电线路导线附近的空间电荷及其定向运动所形成的离子流对于空间电流起着决定性的作用。对于直流输电线路带电作业人员，通过人体的电流主要是穿透屏蔽服通过人体的空间离子电流，这一空间离子电流也应作为带电作业安全防护的对象。

电位转移即作业人员通过导电手套或其他专用工具从中间电位转移到等电位的过程，是带电作业进出等电位过程中最重要的环节。以往的带电作业研究成果表明［1-5］，在电位转移的瞬间，作业人员与导线之间将出现电弧，并有较大的脉冲电流，如在此过程中防护措施不当极有可能出现安全事故，因此电位转移过程中的脉冲电流也应作为带电作业安全防护需要考虑的问题。

作为带电作业人员最主要的安全防护手段，用于±660kV直流输电线路的带电作业安全防护用具必须具备对合成场、离子流、电位转移脉冲电流等对象进行防护的能力。因此须在分析防护对象特性的基础上，通过试验对防护用具进行验证，明确安全防护用具的技术条件，并制定安全防护措施。

2 试验和计算模型

2.1 铁塔模型及导地线参数

试验、计算时选择的铁塔为±660kV直流输电线路典型塔型，塔头如图1所示，导、地线参数如表1所示。

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2.2 人体模型

综合国内外相关文献的研究结果［21-23］，选取人体各部分的参数分别为:头部为半径10 cm的圆球，颈部为半径8 cm、高7 cm的圆柱;腰部为半径16 cm、高65 cm的圆柱;腿部为半径10 cm、高80 cm的圆柱。人体的总高度为170 cm。取人体的电导率为0.1 S/m，相对介电常数为105。

3 人员体表合成场场强计算

为全面了解±660kV直流输电线路空间及人员体表的电场分布及强度，采用三维有限元法进行了计算分析。由于目前对于直流合成场(包含畸变情况)的三维建模计算还没有成熟规范的方法，因此在本计算中只考虑静电场，不考虑导线的电晕情况以及空间离子流电场。考虑铁塔的影响，不考虑离子流及人体的影响，通过仿真计算，得出±660kV直流输电线路铁塔周围的电场强度分布及分布等值线如图2所示。

图2 铁塔周围电场强度分布及分布等值线Fig.2 Electric field intensity and contour distribution around the tower

带电作业过程中，计算位置如图3所示，作业人员所处典型位置的电场强度如表2所示。

图3 带电作业过程的电场测量位置Fig.3 Sketch of the electric field measurement location under live-wire operation process

4 作业人员电位转移时通过人体的能量

4.1 等效电路

人体接近导线时的等效电路可由图4表示，图中，C1为人体与导线间的部分电容，C2为人体与铁塔、大地及其他相导体间的部分等效互电容。

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4.2 人体与导线距离1m

设正负极相对地的电位分别为±660kV，人体无净电荷，人体与分裂导线外侧的距离为1m，人体周围的电位分布及其等值线和电场强度分布如图5所示。

人体不带净电荷时，导线与人体间的电压约为74.726kV，人体与大地间的电压约为385.273kV。

设人体带净电荷10－6C，导线与人体间的电压为132.974kV，人体与大地间的电压约为792.974kV。计算得出人体与导线间的电容为28.636 pF;人体与铁塔、大地及其他导线间的等效电容为20.419 pF。设线路的最高工作电压为±660kV，则人体进入等位点时，流过人体的最大瞬态能量为1.08 J。

图5 人体周围电位分布及其等值线和电场强度分布(人体与导线距离1m)Fig.5 Human peripheral potential distribution and contour and electric field intensity distribution around human-body(the distance is 1m between human-body and wire)

电位转移时，设电位转移棒、接触电阻的大小不同，通过转移棒的瞬态电流不同，转移棒和接触电阻之和为100或200 Ω，电位转移时瞬态电流如图6所示。

图6 距导线1m处电位转移时瞬态电流Fig.6 The transient current for the shift of potential when the human-body is 1m far from the wire

由以上计算结果可知，增加电位转移棒的电阻可减小电位转移时的冲击电流的大小，但是增大了放电的时间。

如果电位转移棒串联1个小电感，可以有效减小电位转移时冲击电流的幅值。当人体与导线距离为1m时，在电阻为200 Ω的电位转移棒串联1个0.1 mH的电感时，冲击电流的波形如图7所示。

4.3 人体与导线距离0.5m

当人体与边子导线间距为0.5m时，由有限元计算方法得到人体周围的电位分布及其等值线和电场强度分布如图8所示。

计算得出人体与导线间的电容为37.39 pF;人体与铁塔、大地及其他导线间的等效电容为16.87 pF。设线路最高工作电压为±660kV，则人体进入等位点时，流过人体的最大瞬态能量为0.79 J。

设转移棒和接触电阻之和为100或200 Ω，电位转移时瞬态电流波形如图9所示。

图9 距导线0.5m处电位转移时瞬态电流Fig.9 The transient current for the shift of potential when the human －body is 0.5m far from the wire

如果与电位转移棒串联1个小电感，可有效减小电位转移时冲击电流的幅值。人体与导线距离为0.5m时，在电阻为200 Ω的电位转移棒串联1个0.1 mH的电感时，冲击电流的波形如图10所示。

图10 电位转移棒串联0.1 mH电感时瞬态电流(人体与导线距离0.5m)Fig.10 The transient current when the potential transfer rod series connection a 0.1 mH inductance(the distance is 0.5m between human-body and wire)

5 带电作业用屏蔽服基本参数

适用于±660kV直流输电线路带电作业的屏蔽服必须具有屏蔽合成场、阻挡直流离子电流、释放电位转移时的能量等功能。由于目前我国还没有针对直流输电线路带电作业用屏蔽服的技术标准，直流屏蔽服的性能参数要求以及试验方法均参照交流屏蔽服标准［16-20］。

对于±660kV直流输电线路，在人员处于地电位及进入电场过程中，其体表的场强一般低于200kV/m，而当人员进入等电位后，处于分裂导线外的头部、手部等尖端部位场强一般为450～800kV/m。由电位转移电流计算结果可知:±660kV直流输电线路放电电流的峰值为210 A，半峰值时间为0.1 μs。

参考国家标准GB/T 6568—2008《带电作业用屏蔽服装》及±800kV直流特高压、1000kV交流特高压线路［23］屏蔽服的主要参数，确定适用于±660kV直流输电线路屏蔽服主要参数如下。

(1)采用屏蔽效率不小于40 dB的屏蔽服布料;衣料熔断电流不小于5 A;对于整套屏蔽服，各最远端点间的电阻值不超过20 Ω。

(2)屏蔽服内部最大电场不超过15kV/m，面罩内部最大电场不超过240kV/m。

(3)流经人体的电流不超过50 μA。

(4)在进行整套屏蔽服的通流容量试验时，屏蔽服任何部位的温升不得超过50℃。

6 结论

(1)±660kV直流输电线路带电地电位作业人员体表场强为44～47kV/m，在进入过程中及等电位作业时均超过了电场感知水平240kV/m，应采取防护措施。

(2)距导线1m接触导线时，流过人体的最大瞬态能量为1.08 J，电流脉冲幅值可达210 A，半峰时间约为0.1 μs;距导线0.5m接触导线时，流过人体的最大瞬态能量为0.79 J，电流脉冲幅值可达210 A，半峰时间约为 0.1 μs。

(3)人体进入等电位点时距导线越近，电位转移时冲击电流幅值和电位转移能量越小;电位转移时，电位转移棒、接触电阻的大小不同，通过转移棒的瞬态电流不同;增加电位转移棒的电阻可减小电位转移时的冲击电流的大小，但是增大了放电的时间;如果电位转移棒串联1个小电感，可有效减小电位转移时冲击电流的幅值。

(4)适用于±660kV直流输电线路屏蔽服的主要参数:采用屏蔽效率不小于40 dB的屏蔽服布料;衣料熔断电流不小于5 A;对于整套屏蔽服，各最远端点间的电阻值不超过20 Ω;屏蔽服内部最大电场不超过15kV/m，面罩内部最大电场不超过240kV/m;流经人体的电流不超过50 μA;在进行整套屏蔽服的通流容量试验时，屏蔽服任何部位的温升不得超过50℃。

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